Проблема химической связи является одной из центральных в современной химии. Выяснение физической природы сил, обеспечивающих устойчивость молекул, должно привести к объяснению различных особенностей этих сил и свойств молекул.
К таким особенностям относится прежде всего насыщенность химической связи. Эта насыщенность проявляется, например, в том, что после соединения двух атомов водорода в молекулу третий атом не только не притягивается, но, как это мы ранее обсуждали (см. гл. XVI), отталкивается
589
от нее. Таким образом, энергия активации, связанная с этим отталкиванием, также относится к проблеме насыщаемости. Отталкивание насыщенных молекул определяет их размеры и, следовательно, объемы и плотность твердых тел и жидкостей. Все эти характеристики также связаны со свойством насыщенности.
Физика не знает сил, обладающих такой сильной насыщенностью, как химические силы. Алхимики описывали это свойство, представляя силы валентности как исходящие из атомов крючки, зацепляющиеся друг за друга.
Требует выяснения связь между валентностью и положением элемента в периодической системе. Почему благородные газы не имеют валентности, а, например, марганец обладает переменной валентностью?
Физическая теория химической связи должна объяснить свойство направленности валентности, т.е. основу стереохимии. Эта теория должна позволить толковать огромный накопленный в химии и физической химии материал по количественной характеристике энергий взаимодействия, реакционной способности, формам молекул и пр. В сущности все свойства тел (например, цвет, твердость, прочность) непосредственно связаны с особенностями химической связи в этих телах.
Все силы в природе сводятся к элементарным силам, поэтому и силы химического сродства должны сводиться к электрическим, магнитным или гравитационным. Однако расчеты показывают, что по порядку величины магнитные и гравитационные силы слишком малы и их нельзя привлечь к объяснению химических сил. Таким образом, силы химического сродства так или иначе сводятся к силам электрического взаимодействия.
Следует выделить случай простого проявления этого взаимодействия в виде электростатического. В этом случае молекулы состоят из частей с противоположными знаками заряда (ионов). Этот вид связи (гетерополярная связь) проще, чем гомеополярная, при которой прочность молекулы определяется электрическим взаимодействием между движущимися электронами и атомными остатками и кинетической энергией электронов.
Каждая из этих двух концепций развивалась вместе с химией и физикой.
Возникновение гетерополярной теории связи было вызвано успехами электрохимии. И. Берцелиус сделал следующее естественное предположение. Поскольку некоторые вещества выделяются при электролизе на аноде, а другие
590
на катоде, то они должны быть по-разному заряжены, поэтому прочность молекул должна определяться взаимодействием этих заряженных частиц (Na выделяется на катоде, а С1 - на аноде). Следует считать, что молекула NaCl имеет такое строение: Na+Cl-. Положительные ионы могут заменить друг друга: Na+ на K+ или Cs+, а С1- на Вг- или NO
.
Эта концепция охватывала значительную часть опыта, однако она наталкивалась на противоречия, особенно в связи с развитием органической химии. В органических соединениях любые атомы могут замещаться другими атомами при условии учета лишь их валентности. В молекуле метана атомы водорода замещаются на атомы хлора, хотя атомы водорода и хлора до дуалистической концепции имеют заряды разных знаков.
Для описания огромного химического материала в теории химической связи возникла другая концепция, противоположная электрохимической, - теория замещения, или теория групп и радикалов. Это представление опирается на структурные формулы.
Валентный штрих может соединять любые атомы, имеющие валентность. Эта теория была создана большим числом ученых (А.М. Бутлеров, А. Дюма, А. Кекуле и др.). А.М. Бутлеров дал основные идеи этой концепции, утверждая, что валентный штрих символизирует некоторое характерное взаимодействие, имеющееся между атомами.
Две охарактеризованные теории химической связи развивались вместе с химией и физикой. Сторонники этих концепций вступали часто в ожесточенную полемику, которая вообще характерна для двух правильных в определенной части опыта представлений. В настоящее время очевидно, что для некоторых соединений правильно первое представление (гетерополярные молекулы), а для других второе (гомеополярные молекулы). Обе теории получили существенный импульс в своем развитии в связи с формулировкой теории атома Бора, так как могли быть сформулированы в атомистических терминах.
591
